无人机电力巡检航迹布设优化方法

幸茂仁

（1.东华理工大学，江西 南昌 330000）

无人机航迹规划的本质是路径规划，即寻找适当的方法构成连接起点到终点位置的由序列点或曲线组成的路径，因此用于航迹规划的算法实际上也就是路径规划算法[1-3]。目前国内外学者提出了许多不同的无人机航迹规划算法，刘佳[4]等针对固定翼无人机航迹规划等问题，提出了一种基于滚动时域控制的模糊粒子群优化算法与改进人工势场法相结合的在线航迹规划方法；张宇翔[5]针对低空飞行和高空飞行两种任务场景提出了对应的航迹规划方法，分别设计了基于遗传算法和Dubins曲线的最短路径生成方法以及设计了基于过渡航点的飞行动作库调用规则，并使用航迹树动态搜索的方法，对航迹进行全局寻优。

此外，李东[6]针对无人机电力巡检提出了一种基于采样的输电杆巡检路径规划方法，通过不断地在空间中迭代选取样本，并检验样本是否可行，直到找到期望的样本时，算法规划结束。但该方法存在搜索复杂度太大，工作效率低下等问题，不适合快速无人机电力巡检航迹规划的要求。丁为杰[7]提出了一种基于BAS算法的航迹规划方法，该方法对二维平面上航迹规划进行仿真，可以发现电力线路上的障碍物以及合理的规划出局部航迹，但是该方法会因为无人机掉头转弯次数太多导致飞行效率和所获取的数据质量较差，不能很好的满足无人机电力线路快速巡检的需要。

综上所述，现有的无人机航迹规划方法在应用于设计时依然存在着一些问题。本文在充分考虑了无人机性能、任务要求、及传感器参数等因素的前提下，提出了一种面向固定翼无人机电力巡检航迹布设优化方法，该方法能够提高固定翼无人机获取数据质量及工作效率，并且在保证电力走廊数据完整性的前提下尽可能减少无人机绕行转弯的次数。

1 研究方法

1.1 航迹布设算法思路

考虑到固定翼无人机无法悬停，因此固定翼无人机电力巡检的航线设计包含两部分的内容：一是任务航线的布设，完成目标线路的巡检工作；二是辅助航线的布设，用于在电力线转弯处无人机进行绕行掉头，具体航线设计步骤如图1所示。

2 关键技术

2.1 线路分段

如图2所示，{N1，N2，N3，N4，…，NX-1，NX}为一组需要进行巡检的电力线杆塔编号，其中N1是起始杆塔，NX是终止杆塔。

图2 电力线基站分布示意图

1）根据影像分辨率要求(GSD)，以及相机的焦距(f)、像元尺寸大小（a）、像素数（P）等参数可以计算出固定翼无人机的相对航高：

影像幅宽为：

2）选择前3个N1，N2，N3电力线基站点，如图3所示，坐标为N1（x1，y1）、N2（x2，y2）、N3（x3，y3）。

图3 航迹线示意图

α12，a13，为相应方位角，航迹线L1的方位角为α12，a13平均值，各点到航迹线L1的最短距离为：

判断H2与大小，若则表明该电力线基站能被该航迹线上的固定翼无人机进行完整的巡检，依次判断后续电力线基站到该航线最短距离是否符合条件，直至出现则重新对航迹线进行规划。

3）规划新航迹线需加入首次出现不在航摄范围内的电力线基站点的方位角，重新计算当前电力线基站方位角的平均值，根据新方位角规划出相应的新航迹线L1′。重复步骤1、2直至新规划的航迹线L1′还是不能符合航摄范围要求此时进行下一步。

4）符合航摄范围的航迹线L1作为第一条航迹线，从不符合航摄范围的电力基站Nx往前移动一个电力线基站即Nx-1，航迹线L1与线Nx-Nx-1相交于点A（x，y），以点A为初始点，求出点A到Nx与Nx+1的方位角，取平均值：

规划出相应的新航迹线L2，后续操作同上，最终得到多条完整覆盖整个电力线基站的航迹线L1，L2，L3…LN。

2.2 辅助航线的布设

1）规划好每一段航迹线后固定翼无人机就可以从一段航迹进入下一段航迹，但需要注意的是，当两段航迹线之间角度较小呈一定的夹角度数，例如设定阈值θ=135°，若相邻两航迹线的夹角α＜θ，此时无人机不能直接转弯。为保证无人机不偏离预先设置的航迹线则需要设置辅助航线。如图4所示，航迹线Lx与Lx+1之间夹角为α，飞行半径为R。

图4 辅助航线示意图

2）航迹线与辅助航迹线相内切，交于A，B两点，航迹线Lx与Lx+1交与点C，夹角为α，则：

此时判断BC≥Lmin，同时判断航迹转弯角是否满足条件[8]。

Δθmax为当前飞行方向与上一飞行方向的最大转弯角[10-15]。

式中，rmin为最小转弯半径；Lmin为最小飞行步长。当上述条件全部满足时，无人机从B点开始转弯，从A点回到预先设定航迹线上，按照以上步骤对所有不符合阈值的航迹线进行处理[15-16]。

3 实验与分析

为了验证面向固定翼无人机电力巡检的分段航迹布设方法，本实验采用广东省清远市，电压等级为220 V的韶林线的部分杆塔作为巡检目标线路，总长2.72 km，编号从1～11号，地形数据采用ASTER GDEM 30M的DEM数据，选择的固定翼无人机起飞及降落坐标为113.16°E，24.43°N。

本文在电力巡检航迹布设中所使用的固定翼无人机各类参数如下所示。

进线距离：200 m转弯半径；500 m分辨率；20 cm阈值设置135°。

侧方偏移：20 m边缘缓冲；CCD尺寸4 000×3 000；像元大小1.5 um。镜头焦距：24 mm；安全飞行高度：200 m。

图5为实验段的电力线路走向图及对应的地形数据；图6为传统无人机航迹布设结果，根据设置的最小转弯角度；3号杆塔处航迹线夹角度数为130.2°；7号杆塔处航迹线夹角为102.2°；9号杆塔处航迹线夹角为132.5°，都小于设定阈值，需要设置辅助航线进行无人机飞行转弯。图7为本文所提出的固定翼无人机电力巡检航迹布设优化结果，如图所示，该航迹线在3号杆塔和9号杆塔处有转折，经量测得夹角度数分别为140.1°和136.1°，符合阈值要求，不需要设置辅助航线。在7号杆塔附近航迹线夹角为104.1°，小于设定阈值，故需要设置辅助航线。实验结果经由上述关键技术计算后得出，本文所提出的航迹优化方法相比于传统无人机航迹布设方法，所用线路距离短、无人机转弯次数少、效率高、获取数据质量好，充分满足了固定翼无人机电力巡检航迹布设的要求，取得了相应的预期效果。

图5 电力线路走向

图6 传统航迹线布设结果

图7 航迹线优化布设结果

4 结语

本文基于电力线巡线任务需求，充分考虑了固定翼无人机电力线路巡检时航摄数据获取完整性以及高效性等情况，设计了一种面向固定翼无人机电力线路巡检航迹布设优化方法，并对广东省清远市韶林线路1～11号杆塔的巡检航线进行了设计实验。实验结果表明，本文的固定翼无人机电力巡检航迹布设优化方法在保证电力走廊数据完整性的前提下，减少了转弯次数，提高了数据质量及工作效率，可以为固定翼无人机电力巡检布设出高效、安全的航迹。关于遇到电力线交叉干扰能否安全避障以及固定翼无人机频繁转弯代价高，耗费时间长等问题，将在后续进行研究。